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AGV技术探讨

人气:发表时间:2018-6-27 10:01:44 【

1 绪论

1.1 研究背景与意义

在产品生产制造过程中,搬运、存储、装卸等物流环节占据了大部分时间,这无疑增加了企业人力成本,降低生产效率。随着劳动力成本的不断上升,众多发达国家企业早已开始向现代制造业方向转变,在产品生产、物流运输、存储等方面发生了翻天覆地的变化:利用计算机、通信网络、人工智能技术,将智能管理、自动化系统等先进技术应用于制造业各个环节,企业生产效率得到普遍提高,取得了显著的成果。

由于我国丰富的劳动力资源,长期以来劳动密集型企业占据了很大一部分比重,其自动化水平低,人工成本高,给企业发展带来很大弊端,为改变这一现状,越来越多的企业生产线开始采用AGV(Automated Guided Vehicle,自主导航车辆)系统作业,对比其它搬运方式,AGV系统融合了环境监控、任务调度、行为控制等多功能于一体,具有高效可靠、自动安全、续航能力强的特点,是自动化生产系统中必不可少的环节。

在AGV系统中,AGV车辆负责完成具体任务,而AGV监控系统作为控制中枢,对车间内各AGV起着状态监控、任务调度、冲突管理等功能,在整个系统中起着关键作用。另外在复杂行驶环境下,对AGV的路径规划、冲突管理等功能也决定着整个系统是否高效、有序。因此,对AGV监控系统进行研究具有一定的实际应用价值。

1.2 AGV系统定义与特点

AGV是具有光学/电磁传感器等引导装置,能够沿着预定的路径自动行驶,完成相关生产任务的车辆。

AGV最显著的特点是自动化水平高,通过接受调度中心发送的任务指令,在不需要人为导航的情况下,能沿着最优路径将货物运抵目的地。同时,AGV也不断监控自身状态,如电池电量、故障信息、障碍物等,一旦发现异常,及时通知调度中心。

相比于传统的输送带,AGV轨道的铺设成本更加低廉,占地面积几乎为零,并且可以根据生产线、仓库站点做出相应调整,使整个系统具有一定的灵活性。

此外由于普遍采用蓄电池作为动力装置,AGV行驶过程中噪音极低,绿色无污染,只要能及时充电便能长期工作。

1.3 AGV监控系统实例

AGV监控系统以对车辆进行任务调度为核心,还包括众多子系统。以佳顺智能公司的AGV系统为例,共包含AGV中央管理,AGV交通管理,AGV点料与调度等子系统,各子系统简要介绍如下:

(1)AGV中央管理系统

AGV中央管理系统.JPG

图1-1 AGV中央管理系统

如图1-1,AGV中央管理系统能够实时显示AGV位置、状态等信息,通过对不同AGV分别设置行驶参数,提高系统灵活性。

(2)AGV交通管制系统

AGV交通管制系统.JPG

图1-2 AGV交通管制系统

如图1-2,在复杂行驶路线下,需要对AGV行驶路线进行更深一步的规划,通过制定类似红绿灯的交通管制程序来避免车辆发生冲突、拥堵,最大限度提高整个系统的工作效率。

(3)AGV叫料系统

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图1-3 AGV叫料系统

如图1-3,在运输较为繁忙的工位可以通过该系统对多种物料进行点料,从而实现点对点的运输方式,使整个系统更加人性高效。

1.4 课题主要工作

由于实验条件有限,本论文主要对单AGV监控系统进行研究,工作内容如下:

(1)根据实际地图,选择合适算法,编写单AGV最短路径规划程序;

(2)通过无线数传模块采集AGV速度、电量、位置等信息;

(3)编写VB上位机程序,设计AGV路径生成、状态监控、任务分配、记录查询等模块;

(4)对多AGV路径规划系统进行一定研究。

2 AGV关键技术理论

2.1导引技术

在自动化日益完善的目前,市场上有形形色色的AGV工作于各个行业各个领域。对于AGV智能化的研究一直以来都是国内企业所专注的重点。而AGV的导引技术在目前市场上较为成熟。目前所采用的导航形式有很多,比如电磁导引、激光导引、光学导引、视觉导引、惯性导引、光学导引和磁带导引[1]。根据实际需求和运行环境限制,选用不同的导引方式具有不同的效果,相比于光电传感器和视觉传感器的白色导航方式,磁导航可靠性更高,不受环境光和地面条件的影响;相比激光导航方式,磁导航系统简单、实现容易、成本低廉。本项目所使用AGV由于是室内室外通用AGV,为了维护方便,便于管理和维护,选择采用磁条导引的方式。

磁条导引技术在目前市场应用较广,因为磁条导引路径规划容易实现,可以根据需求随意变更路线,对于后期维护相对来说较为容易,而所采用的控制系统也较易实现。磁条导引是AGV驱动单元或者车身上安装的磁导航传感器运行在磁条的上方检测磁条的磁场强度,通过PID模糊控制来为AGV小车指引行驶方向。

磁导引技术是一种基于磁敏传感器来识别车体偏差而进行位姿调整的导引方式[1]磁导引系统主要包括磁导航传感器和磁条。以磁条为例子来说明磁导航技术的原理。。

磁条铺设或者固定于地面上,当磁导航传感器位于磁条上方时,每个探测点上的磁场传感器能够将其所在位置的磁场强度转变为电信号,并且把该电信号传送到磁导航的控制芯片中,控制系统中,会通过数据处理来检测到AGV小车磁导航传感器下方的磁场强度,根据控制系统采集信号及信息反馈来确定磁条相对于传感器的位置。当磁导航传感器探测点偏离中间磁条位置时,会反馈信号给控制系统,通过一系列信号处理和传递来调整驱动轮两边的转速,保证AGV小车能够根据磁条的铺设进行寻迹运行。

磁导航技术实现示意图.JPG

图1 磁导航技术实现示意图

如图1所示的16位磁导航传感器技术实现示意图,磁条会在周围产生磁场,越靠近磁条磁场强度也就越大。磁导航传感器正上方四个探测点所在位置的磁场最大,其它探测点所在位置的磁场强度相对也就较弱,特别是远离磁条的探测点所在位置的磁场强度几乎为零。磁导航传感器由此获得磁条的磁场分布,从而确定磁条在磁导航传感器的第几个点下方。AGV小车控制系统也会根据这个信息,确定本身的行进方向是否偏离预定航线,如果偏离预定航线,偏左或者偏右时,通过PID模糊控制进行两轮转速调整来达到小车进行左转或者右转,不断的微调整来达到小车沿着所铺设的磁条进行运行。

2.2控制系统技术

AGV控制系统是AGV小车中最为重要的部分。控制系统的好坏直接影响到小车运行的稳定性、灵敏性和可靠性。控制系统的稳定实现,对于AGV实现多种功能提供了强大的后盾基础。控制系统主要分为地面控制系统和车载控制系统,而地面控制系统主要包括车辆调度、路径管理、交通管理和自动充电。车载系统主要包括导航实现、货物装卸、驱动行走和避障安全。地面控制系统和车载控制系统相互协调来完成AGV小车的各种功能。

各模块功能在AGV小车的功能实现中都具有关键性作用。小车的运行除了应具有合理的结构外,更应该具有完善的控制系统来实现小车与上位机的交互,来实现人机交互,完成本身所赋予的命令。针对系统中各模块具有以下特性:

(1)车辆调度

车辆调度是AGV管理中的关键技术模块,它会根据收到的信号请求,以时间和行走路径为原则,为请求信号的工位安排一个在最短时间和路径执行搬运功能的AGV小车,除了车辆的调度安排,车辆调度在车间AGV工作协调方面具有很大的作用,能够在最短的时间内为工位车辆需求做出分配调度,提高工作效率的同时实现全程AGV自动化搬运。

(2)路径管理

路径管理是指AGV小车在运行时行走的路线分配。在同一个厂区,具有多个工位点,所铺设的磁条路径也是交叉分布。在某个工位点发出调用AGV小车的命令的时候,路径管理系统会就近调用距离近暂时没有新指令的AGV小车前往行使运输功能,在运行路线上会有多个站点来协调AGV顺利到达指定地点。路径管理系统使AGV小车在错综复杂的路线上运行的有条不紊。

(3)交通管理

交通管理是指对于AGV小车运行及调度的统筹规划管理。根据AGV搬运物料后尺寸的大小,为AGV相互避让提供可行性方案。同时对于AGV小车的调度进行统一管理,对于AGV行走的路径进行分配处理,避免车辆等待情况的出现,对于AGV小车的使用进行合理的分配。在车间生产中,保证AGV运输在有需求时有车可用,合理的扩大AGV小车利用率。

(4)自动充电

在自动化的时代,效率是每个企业所追求的。AGV作为以电池为动力电源的运输工具,使用时耗电是不可避免的。及时充电才可以使AGC小车及时的投入到工作中。自动充电是AGV自动化的重要标志。在AGV小车运行过程中,当电量低于15%时,会传导一个信号给控制系统,控制系统接到信号会发送AGV以最短路线运行自充电区域。在进入充电区域后,在RFID站点卡信号的指引下停到制定区域,自动充电桩为AGV小车进行充电,充电完成后,AGV小车再次投入到生产中,循环使用。

(5)导航实现

AGV通过自身装备的导航器件测量并计算出自身运行的轨迹。磁导航传感器是根据磁条所产生的磁场来确定AGV是否偏移运行路线,通过导航系统来实现自身在默认路线的行驶。导航系统的实现,使AGV小车能够实现一车对多工位的功能,寻迹运行是AGV导航的时时表现。

(6)货物装卸

货物装卸是多功能AGV的一大特点,多功能AGV具有自动装卸功能,当AGV小车运行到目标点,AGV会伸出挂钩来牵引物料小车运输到指令所指定的点位。而自动卸载AGV在托运货物运行到指定目标点后,会根据指令和滚筒或起升机械结构来把货物卸载。自动装卸系统在节省人力方面有很大帮忙,减少人力资源的投入,同时也减少了货物因人力野蛮操作导致的损坏。

(7)驱动行走

车辆驱动行走是AGV最为基本的功能,作为基础驱动系统,AGV会根据相应指令进行前进、后退、加速、减速、转弯等操作。

(8)避障安全

避障系统是安全生产必不可少的。作为具有预见性能的系统,会在运行过程中预见将要发生的事故,从而采取制动措施,避免货物及人员伤害。在车间生产不可避免会有人员走动,在AGV小车上装有全方位的避障传感器,检测距离根据需求有0.5米至几米不等,当有障碍物或者人员出现在传感器检测区域时,AGV的避障系统会发出报警会采取紧急制动。

2.3驱动单元结构技术

驱动单元是为整个AGV小车提供动力输入的模块。主要包括提供动力的电机,控制器,相应的传动机构。作为基础模块在AGV小车中同样处于相当重要的地位。

在市场上存在各种各样的AGV驱动单元,相当多的驱动单元已经批量化生产,部分驱动单元完全可以采购直接使用。但大多驱动单元与车体刚性连接,在运行中容易出现驱动力不足和摆动的问题。后期出现了剪刀式驱动单元相对使以上问题得到改观,但中间所使用的弹簧虽然在一定程度上起到减震作用,但主要应用在四轮机构的前端,当背负相对较重的货物时,弹簧压缩,会导致载物台不平使货物滑落,增加相应的风险。

对于AGV相关导航技术及控制系统技术研究较多,但对于驱动单元研究的却较少涉及,驱动单元类型在市场上也较匮乏。驱动单元作为AGV的重要组成部分,应该具有相应的技术提升。独特结构来适应市场需求才可以更好的为自动化建设贡献能力。

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